新型壓裂技術(shù)應(yīng)用分析

陳亞聯(lián)

（1.咸陽川慶鑫源工程技術(shù)有限公司，陜西 咸陽 710018；2.川慶鉆探長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710018）

水力壓裂技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外油氣田開發(fā)的核心技術(shù)。水力壓裂自1947年在美國堪薩斯州試驗成功，至今已有70多年的發(fā)展歷程。近幾年，水力壓裂工藝技術(shù)有了較大的發(fā)展，并取得了良好的效果[1-3]。隨著油氣田開發(fā)的不斷深入，人們對儲層地質(zhì)條件亦有了深層次的認(rèn)識，因此壓裂工藝及技術(shù)也呈現(xiàn)出多學(xué)科、多領(lǐng)域的特點，以求達到更好的改造效果[4-6]。

壓裂技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在新工藝、新技術(shù)、新理念等方面，包括了轉(zhuǎn)向壓裂、體積壓裂、高速通道壓裂、寬帶壓裂等新技術(shù)、新工藝。

1 水力壓裂工藝原理

水力壓裂主要是通過改變流型、形成連通通道等方式，實現(xiàn)壓裂增產(chǎn)的目的[7]。

1.1 改變流型

儲層在壓裂前，地層中的流體大多為徑向流，即以徑向的方式流到井底。進行壓裂改造后會流入井底，流體的形態(tài)由原有的徑向方式變成單向方式，從而提高了導(dǎo)流能力[8-10]。

圖1 流體形態(tài)轉(zhuǎn)化示意圖

1.2 形成連通通道

一般儲層都具有非均值性特點，因此并未完全與井底連通。通過水力壓裂，則可以形成較長的裂縫，實現(xiàn)了人造裂縫與天然裂縫的溝通，從而達到增產(chǎn)的目的。

2 幾種常見的壓裂工藝技術(shù)

2.1 高速通道壓裂

2010年斯倫貝謝提出了高速通道壓裂技術(shù)（Hiway），其主要原理是通過脈沖加砂的方式，改變壓裂支撐劑的鋪置形態(tài)，從而形成非均勻、不連續(xù)的支撐劑團。大量的支撐劑團可以在裂縫中形成砂柱，砂柱之間形成導(dǎo)流通道，通道相互連通形成立體網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)大的支撐裂縫內(nèi)包含眾多小通道的形態(tài)，較好地改善了滲流能力（圖2）。高速通道壓裂消除了因壓裂液殘渣堵塞、支撐劑嵌入等引起的導(dǎo)流能力損耗，提高了壓裂改造的效果[11-12]。

2012年3月，Hiway壓裂技術(shù)在勝利油田義XXX-X井、大北XXX-X井進行了現(xiàn)場試驗，至2014年12月，累積增產(chǎn)原油量為3700t，與同區(qū)塊采用常規(guī)壓裂工藝的油井相比，增產(chǎn)了15%。

在某些儲層，Hiway所形成的砂柱會有垮塌風(fēng)險。室內(nèi)實驗研究表明，當(dāng)楊氏模量和閉合應(yīng)力的比值小于350時，Hiway所形成的裂縫穩(wěn)定性差，當(dāng)此比值在350～500時，可形成穩(wěn)定的縫內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通道，當(dāng)此比值大于500時，所形成的網(wǎng)絡(luò)通道效果更佳[13-14]。

圖2 Hiway壓裂布砂示意圖

圖3 傳統(tǒng)壓裂與Hiway導(dǎo)流方式對比

2.2 端部脫砂壓裂

端部脫砂是指在壓裂過程中，使支撐劑在裂縫的端部脫砂，形成砂橋，阻止裂縫向前延伸，再繼續(xù)注入高砂比的攜砂液，使裂縫內(nèi)的凈壓力增加，裂縫變寬，裂縫內(nèi)的填砂濃度增加，從而形成寬度較寬、導(dǎo)流能力較高的裂縫。端部脫砂壓裂分兩個不同的階段，第一階段為造縫到端部脫砂，這一過程為常規(guī)的水力壓裂過程，目前主要有二維、三維模型；第二階段則為裂縫膨脹和支撐劑充填階段。由于端部脫砂技術(shù)是依靠周邊脫砂憋壓造成短寬縫，因此主要適用于淺層、中淺層的高滲透或松軟地層。

2.3 體積壓裂

體積壓裂是利用“大排量、低砂比、大液量”壓裂理論開啟天然裂縫，使裂縫壁面發(fā)生滑移和錯斷，形成人工裂縫與天然裂縫相互貫穿的縫網(wǎng)系統(tǒng)，將人工裂縫的泄流面積轉(zhuǎn)變?yōu)閿U大裂縫網(wǎng)絡(luò)與油藏的接觸體積，從而有效提高增產(chǎn)效果[15-16]。

體積壓裂適用的儲層條件：1）低滲透儲層。在國外尤其是美國，體積壓裂主要適用于滲透率在0.05～0.10 mD油氣層的開發(fā)；2）具有天然裂縫的儲層。儲層天然裂縫越發(fā)育，人造裂縫與天然裂縫貫穿后的裂縫網(wǎng)絡(luò)就更為明顯，體積壓裂的效果越好；3）高強度巖石儲層。巖石越堅硬，越易產(chǎn)生剪切滑移，形成剪切裂縫及粗糙的節(jié)理，裂縫的導(dǎo)流能力越強。在國外，體積壓裂主要用于彈性模量大于3.0×104MPa的儲層。

體積壓裂在美國的Bakken取得了良好效果，其儲層滲透率約在0.01～0.10 mD之間。我國長慶油田鄂爾多斯盆地的某些儲層與Bakken有相似之處，滲透率在0.1～0.3 mD之間。2012年，長慶油田對盆地低壓致密油層體積壓裂設(shè)計模式進行探索試驗，現(xiàn)場試驗24口井，其中直井17口，水平井7口。直井投產(chǎn)1年后，與鄰井相比，試驗井的單井產(chǎn)量平均日增油49%；水平井投產(chǎn)初期，平均單井產(chǎn)量達到10t·d-1，較之常規(guī)壓裂的水平井，產(chǎn)量提高140%。2017～2019年，體積壓裂已在長慶油田致密油區(qū)塊進行了規(guī)模化應(yīng)用。

2.4 震動壓裂工藝

當(dāng)震動產(chǎn)生的水擊壓強遠遠大于地層破裂壓力和井筒附近地層的最大主應(yīng)力時，會產(chǎn)生一些新的微裂縫，隨后將高壓壓裂作用于微裂縫上，便可使這些裂縫延伸、擴展，從而達到提高導(dǎo)流能力的目的[17-18]。該技術(shù)適用于巖石致密、近井地帶污染嚴(yán)重的儲層或井位，現(xiàn)場已應(yīng)用500余井次，有效降低了施工壓裂、注水壓力等。

2.5 老井轉(zhuǎn)向壓裂

老井轉(zhuǎn)向壓裂是采用化學(xué)暫堵劑暫時性封堵老裂縫，使重復(fù)壓裂的平面上的裂縫轉(zhuǎn)向，或縱向剖面的新層開啟。暫堵劑為轉(zhuǎn)向壓裂的核心材料，一般為黏彈性小顆粒，可在炮眼處和高滲透帶產(chǎn)生濾餅橋堵，形成高于裂縫破裂壓力的壓差值，使壓裂液不再進入老裂縫，而是形成新的裂縫層，因此實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向壓裂[19]。

轉(zhuǎn)向壓裂適用于有一定能量基礎(chǔ)的注水開發(fā)后期的老井。開展轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)理論的研究，尤其是加強重復(fù)壓裂新裂縫的造縫機理和延伸規(guī)律的研究，對于指導(dǎo)重復(fù)壓裂施工，提高其工藝可行性和經(jīng)濟可行性、提高低滲透油氣藏開發(fā)水平，具有重要的現(xiàn)實意義和長遠意義[20-21]。

圖5 裂縫形態(tài)

吉林油田大部分區(qū)塊已經(jīng)進入開發(fā)中后期，且儲層滲透率較低，經(jīng)過多年注水開發(fā)后呈現(xiàn)出產(chǎn)能低、含水高等特點。為了提高單井產(chǎn)量，吉林油田于2011～2015年進行了2000余口井的重復(fù)壓裂，產(chǎn)得原油280多萬t。

2.6 寬帶壓裂

寬帶壓裂是在測試儲層不同層段地層應(yīng)力的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)“精益”壓裂。在應(yīng)用寬帶壓裂時，壓裂液首先進入應(yīng)力較低的壓裂層段，然后采用不同性質(zhì)和形態(tài)的暫堵，將已經(jīng)改造過的近井筒縫眼進行臨時封堵，再依次對應(yīng)力較高的層、簇間進行改造，增強了井筒近井地帶的波及度和接觸面積，層、簇間的改造效果較好，產(chǎn)能得到有效提高。

2014年，寬帶壓裂技術(shù)在美國鷹福特頁巖氣區(qū)塊進行了先導(dǎo)性試驗。試驗采用了優(yōu)選的暫堵材料，優(yōu)化了壓裂工藝參數(shù)，并對泵壓、裂縫進行了現(xiàn)場檢測。試驗井投產(chǎn)后，相比常規(guī)工藝改造的井，產(chǎn)能提高約15%，改造效果較佳。

2015～2018年，長慶井下技術(shù)作業(yè)公司進行了技術(shù)攻關(guān)，對暫堵材料進行了研制和優(yōu)選，同時結(jié)合壓裂工具管柱的結(jié)構(gòu)特點和地層應(yīng)力，對壓裂設(shè)計和工藝等進行了模擬優(yōu)化分析，形成了配套的暫堵材料及工藝。2015年10月，該技術(shù)在長慶超低滲區(qū)塊油井直井上進行了5井次的先導(dǎo)性試驗，隨后在華池油田、隴東油田水平井、老井進行了30井次試驗，在殼牌長北區(qū)塊氣井進行了30井次的試驗。試驗結(jié)果表明，該技術(shù)平均暫堵升壓5MPa以上，改造前平均日產(chǎn)油1.36t，改造后投產(chǎn)初期平均日產(chǎn)油5.82t，增產(chǎn)幅度達3倍以上。

今后若能采用微地震、裂縫監(jiān)測技術(shù)等，建立某一儲層或某一區(qū)塊的數(shù)據(jù)庫及預(yù)測分析模型，將會使寬帶壓裂技術(shù)的優(yōu)勢充分體現(xiàn)。其技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：

1）可代替機械分隔，減少了分隔器對套管的損傷，以及因分隔器質(zhì)量問題造成的施工異常。

2）可有效降低施工壓力。傳統(tǒng)的機械分隔一般都要達到一定的工作壓力才能分隔，而寬帶壓裂則只需在略大于地層壓力時即可，不需要象傳統(tǒng)機械分隔器那樣，要求壓力大于分隔器的工作壓力，從而降低了壓裂施工壓力，同時對壓裂液的性能和數(shù)量要求也有所降低。

3 結(jié)論

1）儲層條件是選擇壓裂工藝的先決條件，因此在優(yōu)化壓裂工藝前應(yīng)對儲層有深入的認(rèn)識。

2）當(dāng)楊氏模量和閉合應(yīng)力的比值＞350時，采用Hiway壓裂工藝的效果較好。

3）儲層天然裂縫發(fā)育，巖石堅硬，滲透率較低時，體積壓裂工藝的效果較佳。

4）暫堵劑為轉(zhuǎn)向壓裂的核心材料，對于轉(zhuǎn)向壓裂的縫長有著至關(guān)重要的影響。

5）采用地測技術(shù)監(jiān)控裂縫、地應(yīng)力等數(shù)據(jù)，并建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫乃至模型，對于暫堵材料的選型及施工設(shè)計制定有著良好的建設(shè)性意義。

6）建議對寬帶壓裂暫堵材料及施工工藝進行深度研究，以便代替機械分割，提高壓裂波及度，降低壓裂施工壓力。